Cycle de Rankine : Qu'est-ce que c'est ? (Idéal vs Réel + Diagramme T-s)

Qu'est-ce que le cycle de Rankine?

Le cycle de Rankine est un cycle mécanique couramment utilisé dans les centrales électriques pour convertir l'énergie de pression de la vapeur en énergie mécanique à travers des turbines à vapeur. Les principaux composants du cycle de Rankine incluent une turbine à vapeur rotative, une pompe de chaudière, un condenseur fixe et une chaudière.

Une chaudière est utilisée pour chauffer l'eau pour produire de la vapeur à la pression et à la température requises selon les besoins de la turbine pour la production d'électricité.

L'échappement de la turbine est dirigé vers le condenseur à flux radial ou axial pour condenser la vapeur en condensat, qui est ensuite recyclé vers la chaudière par les pompes de chaudière pour être chauffé à nouveau.

Cela peut avoir plus de sens si nous reculons un peu et comprenons à quoi ressemble un cycle typique de centrale électrique.

Cycle typique de centrale électrique

L'électricité est générée par l'utilisation de centrales thermiques à cycle de vapeur en utilisant du charbon, du lignite, du diesel, de l'huile lourde de fourneau comme combustible, selon la disponibilité et le coût. Le schéma de flux du cycle de vapeur est donné ci-dessous:

Toute la centrale électrique peut être décomposée en sous-systèmes suivants.

• Sous-système A: Classé comme les composants principaux de la centrale (turbine, condenseur, pompe, chaudière) pour la génération d'énergie.

• Sous-système B: Classé comme la cheminée, d'où les gaz de combustion sont rejetés dans l'atmosphère.

• Sous-système C: Classé comme un générateur électrique pour convertir l'énergie mécanique en énergie électrique.

• Sous-système D: Classé comme le système d'eau de refroidissement pour absorber la chaleur de la vapeur rejetée dans le condenseur et changer la phase de la vapeur en liquide (condensat).

Nous allons analyser le sous-système au sein de ce cycle de centrale électrique qui concerne le cycle de Rankine.

De nombreuses limitations pratiques liées au cycle de Carnot peuvent être facilement surmontées dans le cycle de Rankine.

Cycle de Rankine idéal

Dans un cycle de vapeur, si le fluide de travail passe par divers composants de la centrale sans irréversibilité ni perte de pression par frottement, alors le cycle est appelé un Cycle de Rankine idéal.

Le cycle de Rankine est le cycle de fonctionnement de base pour toutes les centrales où un fluide de travail change continuellement de phase de liquide à vapeur et vice-versa.

Les diagrammes (p-h) et (T-s) sont utiles pour comprendre le fonctionnement du cycle de Rankine, ainsi que la description donnée ci-dessous:

1-2-3 Transfert de chaleur isobare ou Ajout de chaleur à pression constante dans une chaudière

La chaudière est un grand échangeur de chaleur où le combustible libérateur de chaleur, comme le charbon, le lignite ou le mazout, transfère la chaleur indirectement à l'eau à pression constante. L'eau entre dans la chaudière à vapeur depuis la pompe d'alimentation de la chaudière sous forme de liquide compressé à l'état 1 et est chauffée jusqu'à la température de saturation, comme indiqué dans le diagramme T-s à l'état 3.

Le bilan énergétique dans la chaudière est ou l'énergie ajoutée dans un générateur de vapeur,
qin= h3-h1

3-4 Expansion isentropique ou Expansion isentropique dans une turbine

La vapeur provenant de la sortie de la chaudière entre dans la turbine à l'état 3, où elle s'expande isentropiquement sur les aubes fixes et mobiles de la turbine pour produire du travail sous forme de rotation mécanique de l'arbre de la turbine, qui est connecté au générateur électrique.
Travail fourni par la turbine (en négligeant le transfert de chaleur avec l'environnement)
Wturbine out= h3-h4

4-5 Rejet de chaleur isobare ou Rejet de chaleur à pression constante dans un condenseur

À l'état 4, la vapeur entre dans le condenseur. Le changement de phase se produit lorsque la vapeur est condensée en liquide à pression constante dans le condenseur en transférant la chaleur de la vapeur au flux d'eau circulant à travers les tubes du condenseur. Le changement de phase se produit dans le condenseur, et le fluide de travail quittant le condenseur est sous forme liquide et marqué comme point 5.
Énergie rejetée dans le condenseur, qout= h4-h5

5-1 Compression isentropique ou Compression isentropique dans une pompe

L'eau sort du condenseur à l'état 5 et entre dans la pompe. Cette pompe augmente la pression de l'eau en impartissant du travail pendant les processus. Dans les unités de petite taille et de faible volume spécifique, ce petit travail peut être négligé par rapport au travail de sortie de la turbine à vapeur.
Travail effectué sur la pompe par kg d'eau, W51= h5-h1.